基于数字化实验对乙醇催化氧化实验改进的研究

刘睿琪

摘要：对乙醇的催化氧化实验进行改进：一是控制铜丝与反应物的距离，使铜丝持续红热以强调铜丝的催化作用；二是利用传感器及实时测定实验中铜丝附近氧气含量的变化和反应容器中水蒸气含量的变化。帮助学生基于客观实验事实构建乙醇被氧化成乙醛的理解。

关键词：实验改进；乙醇催化氧化

文章编号：1008-0546（2022）12x-0096-02

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12x.024

一、问题的提出

“乙醇的催化氧化”作为新人教版化学必修第二册的重要实验，承载的不仅仅是乙醇的还原性的知识载体功能，更多的是培养学生基于实验现象，对有机化学中基于碳骨架和官能团认识物质性质的实验探究能力。

教材实验通过多次循环观察铜在空气中氧化成氧化铜，氧化铜与乙醇反应2CH3CH2OH+O2-△→2CH3CHO+2H2O，判断乙醇与氧气反应，尽管能够让学生理解催化剂的反应原理，但重复多次的操作不利于学生理解“真实情境”下催化剂铜在乙醇和氧气反应中的催化作用和效率。尤为不足的是，沒有通过实验现象判断反应物氧气的参与以及水的生成，导致实验后方程式的呈现没有足够“实验现象”支撑。

二、问题的解决

为此，对教材实验进行以下改进。一是控制铜丝与反应物的距离，使铜丝持续红热以强调铜丝的催化作用；二是利用传感器在实验过程中实时测定铜附近氧气含量的变化，以及容器内空气中水蒸气含量的变化，旨在呈现出定性到相对定量的变化。帮助学生基于客观实验现象确定反应物和生成物从而完成对反应的认识和反应化学方程式的书写。

笔者设计的“乙醇的催化氧化改进实验”装置图如图1所示。

具体实验步骤与现象为：

第一步：组装实验装置，调试好传感器、数据采集器和电脑。

第二步：在一支20mL试管中加入约10 mL无水乙醇。点燃酒精灯，用试管夹取装有无水乙醇的试管。取准备好的铜丝将螺旋状的下端在酒精灯上灼烧（变黑）后，插入无水乙醇液面下（变红），重复一次。将铜丝搁置好，熄灭酒精灯。

第三步：将试管内含有大量乙醇的液体缓慢倒入500 mL烧杯中。点燃酒精灯，再将铜丝下端在酒精灯上灼烧至红热后，马上将铜丝插入烧杯中，调整螺旋状铜丝，与两个传感器以及烧杯的内壁都保持一定的距离。此时铜丝持续保持红热（见图2）。

第四步：观察与数据采集器连接的电脑屏幕，发现氧气含量持续降低，说明氧气作为反应物在不断减少（见图3）；湿度不断增大，表明生成物有水（见图4）。

第五步：待氧气浓度降低到一定程度反应停止后，取出铜丝，用扇闻法小心地闻烧杯中液体产生的气味（有刺激性气味）。

三、说明与反思

为保证安全，自制装置没有“绝对密封”。但传感器测定的是螺旋状铜丝附近区域的数值，具有一定的可信度，特别是湿度在测试的243秒时间内从77. 14%增大到82.86%，起始的77. 14%就是空气的湿度，足以表明实验有水蒸气生成。同时，反应进行到2 min 55 s时氧气的含量从起始19.62%降到最低6.13%，氧气太少导致铜丝不再红热（停止反应），外面空气渗入（没有“绝对密封”），含氧量逐渐增大。但温度不够，反应不能再进行。所以含氧量的测定也具有可信度。

实验操作过程中，倾倒液体时要注意液体不要与传感器接触；铜丝放人到烧杯中后要调整螺旋状铜丝与传感器和烧杯内壁的距离，以免高温对装置造成损坏。

为确保实验成功，最后一次螺旋状铜丝在酒精灯上加热时间长一点，直到看到有红热出现再插入烧杯中，否则有可能看不到理想的实验现象。

实验用品（硬纸、废光盘）易得，组装的装置可多次使用，操作简单方便，成功率高。

实验结束后，反应装置中烧杯内壁有液滴的思考、热的氧化铜插入装有乙醇试管上端时的现象等引发的关于乙醇挥发性、反应热效应的问题思考，是引导学生通过实验现象发现问题、解决问题的重要途径，可以帮助学生基于客观实验事实构建对乙醇被氧化成乙醛的理解。